科学家给机器人装“超级仿生手” 可像人类一样灵活抓取

中青报·中青网记者 邱晨辉(qiūchénhuī) 想过机器人能(néng)像人类一样，灵巧(língqiǎo)地拿起易碎花瓶，或(huò)同时抓起多个形状各异的物品吗？这些人类手部的“拿手好戏”，如今机器人手也能做到了。 6月9日，北京大学人工智能研究院、北京大学武汉人工智能研究院、北京通用(tōngyòng)人工智能研究院、北京大学工学院和伦敦玛丽(mǎlì)女王大学联合组成的研究团队，取得这样一项机器人技术突破，成果论文(lùnwén)《高分辨率触觉感知机器手实现类人适应性抓取》当天在国际(guójì)学术期刊《自然-机器智能》刊发(kānfā)。 机器人仿生手F-TAC Hand抓取多物体示意图(shìyìtú)。研究(yánjiū)团队供图 随着人类(rénlèi)的进化，手部的功能由攀爬转为使用工具，并逐渐掌握了精准抓握(zhuāwò)能力。手部既是人类改造自然与外界(wàijiè)交互的核心器官，也是智能的核心载体。论文共同第一作者、北京通用人工智能研究院研究员李皖林介绍，人的手部具有结构高度复杂、功能极为精密的特点，手部由27块(kuài)骨骼和34块肌肉组成，提供(tígōng)了24个自由度的灵活性。对人类手部功能的研究，是具身智能与机器人学(jīqìrénxué)科研的前沿领域。 他(tā)告诉记者，人在拿取物体时涉及(shèjí)“触觉反馈”与“运动(yùndòng)功能”两大能力：触觉反馈包含运动觉与皮肤触觉，前者通过肌肉、肌腱和关节感知力量，后者通过皮肤感知接触状态、纹理、温度、摩擦力等物理特性(tèxìng)；运动功能包括运动学与动力学(dònglìxué)，前者研究关节的角度(jiǎodù)、位置及其运动的几何关系，后者研究力和扭矩如何作用于关节和肢体，从而实现精确的运动控制。 在以往的研究(yánjiū)中，触觉(chùjué)(chùjué)反馈与运动能力的整合，被认为是机器人研究领域中的关键挑战之一。此次研究团队开发(kāifā)的“基于(jīyú)全手触觉的机器人仿生手”（Full-hand Tactile-embedded Biomimetic Hand，简称F-TAC Hand），是国际罕见同时具备全手高分辨率触觉感知和完整(wánzhěng)运动能力的机器人手系统。 机器人仿生手F-TAC Hand示意图(shìyìtú)。研究团队供图 论文共同第一作者、北京大学人工智能研究院博士生赵秭杭告诉记者，人类手部(shǒubù)的灵活性和适应性，很大程度上归功于(guīgōngyú)其密集(mìjí)的触觉传感能力，这使人们能够精确感知与调整抓握过程。例如，人类在(zài)抓取一个装满水的杯子与一个空杯子时，抓握杯子的位置、角度、方式(fāngshì)可能完全不同。然而，在机器人领域，如何在不影响运动功能的前提下实现(shíxiàn)全手触觉覆盖，很长时间以来是个难题。 他告诉记者，研究团队开发的高分辨率触觉传感器，覆盖了机器人(jīqìrén)“手掌”表面70%的广大区域，空间分辨率达到0.1毫米(háomǐ)，相当于(xiāngdāngyú)每平方厘米约有(yǒu)1万个触觉像素，远超目前商用机器人手的触觉感知能力。 F-TAC Hand的设计(shèjì)灵感来源于人类手部的生物结构。 人类手部触觉系统由两个关键要素组成：遍布(biànbù)皮肤的密集触觉传感器阵列和大脑中专门解释这些(zhèxiē)海量感觉输入的神经处理机制。赵(zhào)秭杭说，F-TAC Hand模拟了这种设计，将(jiāng)17个高分辨率触觉传感器，以6种不(bù)同配置集成在一起，并在不牺牲灵活性的前提下，实现了前所未有的触觉覆盖范围。 论文共同第一作者、北京大学人工智能(réngōngzhìnéng)研究院博士生李宇飏告诉记者，团队通过开发一种生成多样化(duōyànghuà)抓取(zhuāqǔ)策略的算法，基于概率模型，能够产生大量多样化的抓取方式，其中涵盖了与(yǔ)人类非常相似的19种抓取类型。 他进一步解释：多物体(wùtǐ)(wùtǐ)同时抓取，是评估机器人手灵巧性的重要基准测试，比单一物体要复杂得(dé)多。抓取单一物品可以通过双指夹持的方式实现，但当用一只手抓取多个物体时，需要做(zuò)精确的全手接触检测并调整运动策略，才能实现精准、稳定抓取。 实验结果表明，当规划出(chū)的多物体抓取策略，在(zài)现实环境中遇到障碍时，F-TAC Hand能够在约100毫秒内感知情况并快速切换到替代(tìdài)策略，完成任务。为验证这一(zhèyī)技术的实际效果，研究团队在600次真实世界实验中评估(pínggū)了F-TAC Hand的多物体抓取能力。 机器人仿生手F-TAC Hand 与人手性能(xìngnéng)对比图。研究团队供图(gōngtú) 论文共同第一作者(zuòzhě)、北京通用人工智能研究院研究员刘腾宇告诉记者，相比没有触觉反馈的系统，F-TAC Hand在面临执行误差和物体碰撞风险时表现出显著的适应性优势，使(shǐ)F-TAC Hand能够像人类(rénlèi)一样，在不确定环境中(zhōng)保持高效灵活的操作能力，这对(duì)机器人在家庭、医疗和工业环境中的实际应用至关重要。 “这项研究不仅是技术上(shàng)的(de)(de)突破，更为理解智能(zhìnéng)的本质(běnzhì)提供了新视角。”论文通讯作者、北京大学人工智能(réngōngzhìnéng)研究院助理教授朱毅鑫说，近年来，大型语言模型等基于纯计算的人工智能取得了显著进展，但它们在处理物理世界(shìjiè)的实际交互任务时仍面临巨大挑战。此次研究表明(biǎomíng)，真正的智能行为需要“知行合一”，丰富的感知能力对于机器智能的发展同样不可或缺。F-TAC Hand的成功，为“具身智能”开辟了新的研究方向，对构建下一代人工智能系统具有重要启示意义。 作为人形机器人(jīqìrén)与外界交互的(de)重要媒介，机器人手是机器人功能性的直接体现，需要“人手”参与的工作都可以是机器人手的应用场景(chǎngjǐng)。朱毅鑫告诉记者，这项研究成果有望推动机器人技术在医疗(yīliáo)、工业制造、特殊环境作业等领域更广泛的应用。 来源：中国青年报客户端(kèhùduān)